Una base sobre oxidantes térmicos y acumulación de partículas

Los oxidantes térmicos regenerativos (RTO) y otros tipos de sistemas de oxidación térmica han demostrado ser un método altamente eficaz y energéticamente eficiente para reducir los compuestos orgánicos volátiles (COV) y otros contaminantes emitidos por las plantas industriales. Sin embargo, la materia particulada en la corriente de emisión puede ser un problema particularmente molesto, que da como resultado el ensuciamiento y taponamiento de los lechos de medios. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a la selección de la forma y el material de los medios de intercambio de calor para mitigar los problemas potenciales con las partículas y para asegurar un funcionamiento confiable, económico y seguro de los sistemas de oxidación térmica.

Oxidación térmica regenerativa
Los oxidantes térmicos son esencialmente incineradores que convierten térmica o catalíticamente las emisiones cargadas de contaminantes en dióxido de carbono y vapor de agua. El proceso de oxidación generalmente logra niveles superiores al 99 por ciento de eficiencia de destrucción / eliminación (DRE) de COV, contaminantes peligrosos del aire (HAPS) y olores.

Los oxidantes térmicos regenerativos minimizan el consumo de combustible al "regenerar" o reutilizar el calor generado por el sistema. Los ventiladores extraen aire de los sistemas de recolección de las cabinas de pintura y otras fuentes, y el medio del intercambiador de calor precalienta el aire a la temperatura de oxidación térmica, típicamente de 1,400 a 1,600 grados Fahrenheit. Luego, el aire pasa a una cámara de combustión durante el tiempo de residencia especificado (0,5 a 2,0 segundos), donde tiene lugar una reacción exotérmica, que convierte los COV en dióxido de carbono y vapor de agua. Antes de ser expulsado a la atmósfera, el aire caliente y purificado pasa a través de un lecho de medios para capturar la energía térmica que se utilizará para precalentar el aire entrante. Las válvulas alternan continuamente el flujo entre los lechos de medios:un ciclo con aire frío entrante en un lecho de medios que acaba de ser calentado por un escape caliente, seguido de un ciclo con aire de escape caliente que fluye a través del lecho de medios para recalentarlo.

Los RTO pueden operar con eficiencias térmicas de 85 a 99 por ciento, reduciendo o eliminando la necesidad de quemar gas natural en la cámara de combustión. Los RTO son particularmente efectivos para flujos de proceso con una carga de solvente baja a moderada y pueden ser autosuficientes a niveles moderados de límite explosivo inferior (LEL). En otras palabras, una vez que el sistema se calienta lo suficiente, los quemadores de gas natural se pueden apagar si hay suficiente gas inflamable en la corriente de escape.

Otros oxidantes térmicos
Para niveles de carga de solvente más bajos, por debajo del 4 por ciento de LEL, a menudo se recomienda un sistema catalítico. Un oxidante catalítico regenerativo (RCO) tiene un diseño similar al RTO, excepto que el medio de intercambio de calor cerámico más cercano a la zona de combustión está recubierto o impregnado con metales preciosos que funcionan como catalizadores que permiten la oxidación a temperaturas significativamente más bajas (600 a 1000 grados Fahrenheit). Un sistema catalítico requiere la presencia de los tipos de COV que se oxidarán a estas temperaturas más bajas. Los RCO utilizan el mismo principio que los convertidores catalíticos en los vehículos de motor que oxidan el monóxido de carbono y los hidrocarburos no quemados a dióxido de carbono y agua.

Para las corrientes de escape con altos niveles de LEL, se puede utilizar un oxidante térmico simple, sin ninguna capacidad de regeneración térmica. En tales casos, una alta carga de disolvente puede favorecer la combustión sin precalentamiento y, a menudo, con muy poca o ninguna quema de gas natural.

Para corrientes de aire con concentraciones de VOC relativamente bajas, se pueden utilizar adsorbedores giratorios para concentrar la corriente y aumentar el nivel de LEL, para permitir el uso de un dispositivo de oxidación que sea más pequeño y / o más eficiente energéticamente. El escape del proceso cargado de contaminantes pasa a través de la unidad de adsorción rotatoria donde los COV se adsorben en zeolita o medio de carbón activado. El aire purificado se expulsa a la atmósfera y luego el disolvente se elimina del medio por desorción con una corriente más pequeña de aire caliente, que luego se envía a un dispositivo de oxidación.

Eliminación de partículas aguas arriba
Aunque los sistemas oxidantes se utilizan principalmente para la reducción de COV, todas las corrientes de emisión contienen cierta cantidad de material particulado, y estas partículas pueden provocar ensuciamiento del lecho, degradación del rendimiento e incluso incendios peligrosos y destructivos. Algunos métodos de eliminación de partículas aguas arriba incluyen cascada (lavado con agua), deflector y filtración de medios. Otros, como los precipitadores electrostáticos (ESP) húmedos y secos y los colectores ciclónicos de polvo, pueden reducir, pero no eliminar, la materia particulada que ingresa al RTO.

Impacto de la acumulación de partículas
Las partículas que penetran más profundamente en el lecho del medio tenderán a quemarse. Sin embargo, las partículas químicamente reactivas pueden causar problemas incluso cuando penetran profundamente en el medio.

Una parte de las partículas que ingresan al RTO se acumulará en la cara fría del lecho de medios. Dependiendo del diseño del medio, la acumulación de partículas puede provocar rápidamente el taponamiento del lecho del medio. El taponamiento causa varios problemas importantes. El bloqueo del flujo de aire da como resultado un aumento en la caída de presión, lo que obliga al ventilador de tiro inducido a trabajar más duro y consumir más electricidad. La capacidad del RTO se reduce a medida que el lecho del medio se vuelve menos eficaz para transferir calor, porque las "zonas muertas" significan una superficie reducida expuesta a la corriente de aire y menos masa de medio disponible para retener la energía térmica. Además, la acumulación de partículas presenta un grave peligro de incendio.

La única solución de remediación para estos síntomas es el lavado o secado del lecho de medios, procesos que implican costosos tiempos de inactividad. Con el tiempo, la frecuencia de los procedimientos de lavado y secado generalmente aumenta hasta que la única solución viable es un cambio completo del medio.

Tipos de medios
Durante las últimas décadas, se han utilizado varios tipos diferentes de medios de transferencia de calor para los RTO. Tres categorías principales son el empaque al azar, el bloque estructurado monolítico y el empaque con estructura corrugada.

Embalaje aleatorio. Originalmente, en la década de 1970, se empleó una amplia variedad de materiales de empaque aleatorios en los RTO, que incluían grava, bolas de cerámica y formas de todo tipo. El material de empaque se vertió aleatoriamente en el RTO para formar un lecho de medio. Se prefirió la disposición al azar para evitar el anidamiento que restringiría el flujo y causaría áreas muertas que recolectan partículas.

En la década de 1980, los fabricantes y propietarios de RTO descubrieron que las “monturas” cerámicas desarrolladas para operaciones de transferencia de masa química proporcionaban una forma óptima para el empaquetado aleatorio de RTO. En relación con otros tipos de empaque aleatorio, la forma de la silla minimiza la caída de presión (para un menor consumo de electricidad por parte del ventilador de inducción) y maximiza el área de superficie (para una mayor eficiencia de transferencia de calor).

A lo largo de los años, los proveedores de medios RTO han perfeccionado el diseño de los sillines de cerámica. Por ejemplo, Koch Knight LLC ha desarrollado un diseño exclusivo de empaque aleatorio FLEXISADDLE de baja caída de presión de tres nervios (o empaque aleatorio LPD), que proporciona un área abierta alta y un diseño aerodinámico que limita el anidamiento y reduce la caída de presión en un 20 por ciento en comparación con el sillín estándar medios de comunicación.

Varios fabricantes recubren o impregnan este asiento LPD con un catalizador metálico para su uso en RCO. El empaque también está disponible en una alúmina resistente al esmalte para resistir la exposición al ataque químico alcalino, que puede resultar de los vapores químicos de limpieza o las sales metálicas utilizadas en aplicaciones de galvanoplastia.

Bloque estructurado monolito. Se encuentra disponible otra alternativa para corrientes muy limpias y bajas en partículas, como el monolito en forma de panal de cerámica Cordierite importado. El bloque monolito es una forma de embalaje estructurado que se coloca en un arreglo formal, en lugar de ser arrojado al azar. Las células se extienden a través del bloque en un canal recto perpendicular a la cara fría.

La ventaja de este diseño es que, en teoría, proporciona un canal aerodinámico recto para la corriente de aire. La desventaja es que si las partículas taponan un canal en la cara fría, donde el flujo de entrada ingresa al bloque, entonces todo este canal se convierte en una zona muerta.

Embalaje estructurado de cartón ondulado. El medio de intercambio de calor cerámico más avanzado para RTO es el empaque de estructura corrugada. Este empaque está construido con láminas corrugadas de cerámica. El ángulo de inclinación de las corrugaciones de las láminas adyacentes se invierte, lo que garantiza una excelente distribución del flujo de aire por todo el lecho del medio. Incluso si un área del lecho de medios se obstruye con partículas, el efecto de mezcla y extensión de la ondulación alterna evita zonas hacia abajo por encima del área obstruida.

Los estudios de campo han demostrado que, en el momento de la instalación, los RTO con empaquetadura de estructura corrugada consumen la misma cantidad de gas natural que los RTO con bloque estructurado monolito, aunque el primero tiene una distribución del flujo de aire superior y el segundo tiene una capacidad de almacenamiento de calor ligeramente superior. La ventaja de la solución corrugada se vuelve dramática con el tiempo debido a la capacidad muy superior para resistir el ensuciamiento causado por la acumulación de partículas.

Coste operativo de por vida
Los propietarios de oxidantes térmicos tienen varias opciones disponibles cuando instalan un nuevo sistema o reemplazan el lecho de medios de un sistema existente. Para los sistemas de reducción de COV en la industria del acabado, donde las partículas pueden ser una preocupación, se debe considerar el empaque de estructura corrugada. Esta solución avanzada puede costar más comprar e instalar, pero proporcionará una caída de presión más baja, una mayor eficiencia de transferencia de calor, un funcionamiento más confiable y una vida útil más larga en comparación con los medios alternativos. La reducción significativa a largo plazo en el consumo de energía por sí sola puede superar con creces el costo adicional de instalar medios avanzados de intercambio de calor.

Acerca del autor:
Paul Sims es el gerente de ventas de la región sureste de Koch Knight LLC. Puede ser contactado en [email protected].